Espumas estruturais

Os polímeros espumados são materiais do futuro: estão cada vez mais sendo considerados como compostos verdes, devido às suas características interessantes de baixo consumo de materiais para sua produção. As espumas estruturais encontram suas principais aplicações na indústria automotiva, em embalagens de equipamentos pesados e na construção civil, onde podem substituir madeiras, metais e concreto.

As espumas plásticas consistem de, pelo menos, duas fases: uma matriz polimérica sólida e uma fase gasosa derivada do agente de sopro. O tipo de método de espumagem e a combinação do agente de sopro e da base polimérica determinam a densidade e a aplicação da espuma.

A extrusão de espumas de poliolefinas passou por uma revolução tecnológica, quando os produtores de espumas foram obrigados a trocar todos os sistemas de expansão que empregavam gases refrigerantes clorados. Até o surgimento do HMSPP no mercado, só se produzia espuma de baixa densidade a partir do PEBD (polietileno de baixa densidade), pois este polímero possui estrutura ramificada com excelentes propriedades reológicas. No processamento do PP, o fabricante enfrentava dificuldades relacionadas com a baixa estabilidade da bolha, crescimento descontrolado e coalescência, produzindo espumas de alta densidade, na faixa de 600 a700 kg.m-3_{, mas}

com células abertas, impedindo as aplicações como espumas estruturais 35_.

Ladney Jr, na patente 4,185,060 43, relata a fabricação de espumas estruturais,

pelo processo de extrusão. As composições podem conter várias misturas de resinas termoplásticas e agentes de sopro, gasosos, líquidos ou sólidos, termicamente decompostos para gerar um gás. Ladney recomenda o uso de uma extrusora mono-rosca de razão L/D = 20/1 e enfatiza que quanto maior a razão L/D, melhor será a mistura, em prol da uniformidade da espuma produzida.

De acordo com Jaakko I. Raukoka44_{: para a produção de tubos e filmes}

temperatura, pressão e controle do fluxo do material viscoelástico. As propriedades fundamentais dos materiais extrudados (PP, HMSPP, PP / HMSPP e incorporações com talco), definidas a partir das medidas reológicas, se constituem na base dos estudos de espumagem via extrusão. As deficiências inerentes ao Polipropileno foram sanadas empregando um Polipropileno com maior resistência do fundido.

Haas et al 45 apresentam um processo para a produção de espuma de PP, a

partir de misturas de PP / HMSPP e um agente físico de sopro, no qual a mistura do fundido, na saída da matriz, não deve ter uma temperatura superior a 190°C, com a resistência do fundido na faixa de 25 a 60cN, sob pressão adequada para evitar a espumagem precoce. Após passar pela matriz, a mistura, exposta à pressão atmosférica e sob a ação do agente de sopro, expande, formando mais de 70% de células fechadas, numa espessura na faixa 0,05 a0,25 mm. Informações básicas sobre: temperatura de transição ; espuma de célula pequena; célula fechada; temperatura de operação; temperatura de saída e pressão de saída; solução ou mistura do fundido; polímero puro; densidade da espuma; redução da densidade; polidispersão; uniformidade; esfericidade; matriz polimérica; olefina ; velocidade máxima de estiramento (total draw ratio). Também são detalhados os testes convencionais de controle de qualidade das espumas, tais como: densidade, tamanho de célula e propriedades mecânicas.

Parketetal46 descrevem um processo para a obtenção de uma chapa de

espuma de polipropileno rígido ou semi-rígido, termoformável, obtida pela extrusão de uma mistura entre um agente nucleante, um agente físico de sopro e uma resina de PP, com alta resistência e extensibilidade do fundido (HMSPP). Agentes nucleantes que influenciam o tamanho e a homogeneidade das células da placa espumada: mistura ácido cítrico/bicarbonato de sódio, talco e dióxido de titânio, numa concentração a 1%. Os agentes físicos usados para controlar a densidade da espuma são: butano, isopentano, hidrocarbonetos clorados, clorofluorocarbonetos, nitrogênio, dióxido de carbono e outros gases inertes, numa concentração de 2 a 15%. Além dos testes convencionais são citados: densidade aparente e espessura, no controle de qualidade das chapas produzidas.

Reimers et Berti47estabelecem um método para melhorar a solubilidade dos

agentes de sopro em polímeros, pela seleção de aditivos e processo específico para a formação de espumas poliméricas.

Afirmam também que os agentes de sopro podem ser combinados com aditivos para modificar a permeação do agente de sopro através da matriz polimérica, a fim de melhorar a propriedade isolante da espuma, agindo como agentes compatibilizantes. Para as espumas de polipropileno são recomendados aditivos que contenham ligações múltiplas de éter ou grupos hidroxílicos, tais como éter poliglicólico, poliglicol ou poliglicerol.

Park et al 48 apresentam uma espuma de polipropileno com até 80% de células

fechadas e característica de espumabilidade inferior a 1,8, ressaltando que a resina de polipropileno usada deve possuir um índice de fluidez inferior a 10 g(10 min)-1, a 230o C. As espumas obtidas por este processo têm excelentes propriedades de amortecimento a baixas densidades (inferior a 0,08 g.cm-3), amplamente usadas na área de embalagens. Ênfase especial é dada à avaliação das propriedades reológicas dos materiais envolvidos no processo, como pigmentos, antioxidantes, absorvedores de UV, retardantes de chama, facilitadores de processamento. O uso de agentes nucleantes, como talco, argila, carbonato de cálcio, sílica, sulfato de bário, diatomita é opcional, em proporções recomendadas na faixa de 0,1 – 3 partes por peso da resina de PP. Embora de uso opcional, é ressaltado nesta patente que o agente nucleante serve para controlar a dispersão e o tamanho da célula. São também relacionados diversos métodos para o controle de qualidade das espumas de PP de célula fechada e de baixa densidade.

Park et al49 estudaram a nucleação e o crescimento inicial da célula do

polipropileno linear e ramificado, usando CO2ouisopentano como agentes de sopro na

extrusão. Descobriram que a densidade da célula aumentou em função de ambos e que a pressão de processamento mostrou-se sensível usando o CO2. A morfologia da célula foi

diferente em função dos dois tipos de PP usados. O fenômeno da coalescência da célula no PP linear foi maior, quando comparado com o PP ramificado. A maior parte das células

nas espumas de PP ramificado era fechada enquanto que nas espumas obtidas de PP linear, as células eram abertas. Os resultados experimentais indicaram que a estrutura ramificada desempenhou um papel importante na determinação da morfologia da célula através de seus efeitos sobre a resistência do fundido e/ou elasticidade do fundido.

Naguib et al50 elucidam os efeitos da densidade da célula no comportamento

de expansão de volume das espumas de PP obtidas com o agente de sopro butano durante a extrusão. A densidade da célula foi controlada variando o teor de talco e a expansão da espuma foi observada mantendo um teor fixo de agente de sopro, ao variar as temperaturas do fundido e da matriz. Quando o teor de talco aumentou, a curva de expansão inclinou-se em direção à menor temperatura, evidência de que as espumas expandidas com um maior teor de talco foram mais suscetíveis à perda de gás em temperaturas elevadas. A temperatura ótima para maximizar a expansão foi reduzida em prol de uma maior concentração de talco.

Pieter Spitael e Christopher W. Macosko51 avaliaram a viscosidade extensional

de diversos polímeros à base de polipropileno e suas misturas; também, estudaram a extrusão destas blendas, usando dióxido de carbono como agente de sopro. A viscosidade uniaxial extensional foi quantificada e a espuma caracterizada por densidade aparente, tamanho de célula e concentração de células. O polímero linear não apresentou nenhum “endurecimento por tensão” (strain hardening) enquanto que os polímeros ramificados mostraram um pronunciado strain hardening. O strain hardening evita a coalescência da célula e conduz a maiores concentrações de células, enquanto que os polímeros ramificados possuem uma menor concentração de células em relação aos polímeros lineares. Mesmo assim, a partir de blendas PP linear / PP ramificado, foi obtida uma concentração de células superior à dos polímeros no estado puro; isto indica que mesmo pequenas quantidades de PP ramificado misturadas no PP linear podem melhorar o processo de espumagem. Os polímeros de PP foram espumados com o agente de sopro CO2, na faixa de concentração de 4,2 a 5,2%, em peso, usando 0,5% de talco,

M. H. Wagner et al52 informaram que num experimento Rheotens, a força tênsil

necessária para a elongação de um filamento extrudado é medida em função da taxa de estiramento (draw ratio). As curvas Rheotens se aplicam a fundidos de polímeros termo- reologicamente simples e são invariáveis com relação às alterações de temperatura do fundido; de forma idêntica, se aplicam para os fundidos de polímeros com diferentes massas molares médias, mas com semelhante distribuição de massa molar e estrutura de ramificação.

Zhijuan Xu et al53estudaram o processo de espumagem via extrusão do PP de

baixa densidade numa extrusora mono-rosca. Foram investigados os efeitos de cinco variáveis durante a expansão de volume e na morfologia celular. Foram usados: três tipos de PP com diferentes índices de fluidez, dois tipos de agente químico de sopro, métodos de modificação de reticulação e de mistura, dois parâmetros operacionais (velocidade do parafuso e temperatura da matriz) e morfologia da matriz. Os resultados experimentais provaram que: quanto menor o Índice de Fluidez (0,45 a10 g(10 min)-1) melhor o PP espumado; o uso de azodicarbonamida como agente de sopro (método químico de espumagem) favorece a obtenção de espumas de PP com maior volume de expansão. A resistência do fundido pode ser otimizada, na obtenção de espumas de PP de baixa densidade, pela adição controlada de agentes de reticulação ou de agentes de mistura adequados. Baixas temperaturas na matriz (cerca de 155°C) e altas velocidades do parafuso (de 16 a 48 rpm) mostraram-se benéficas à espumagem. A alta pressão na matriz, até um determinado nível, pode favorecer a produção de espumas de baixa densidade.

Bambara, John D et al54 desenvolveram espumas poliméricas a partir de

HMSPP misturado com um copolímero e/ou homopolímero de PP, nas concentrações: 20% a 60% de HMSPP e 80 a 40% de copolímero e/ou homopolímero. A espumagem foi obtida usando agentes químicos ou agentes físicos de sopro, com ênfase para o dióxido de carbono associado a um agente nucleante (inorgânico e geralmente talco). Um dos propósitos da invenção é prover espumas de alta qualidade, de longa durabilidade e de fácil manutenção, a um baixo custo de produção.

Hughes et al55 apresentaram um processo para a preparação de espumas a partir

de vários tipos de polipropileno, com densidade variando de 9,6 a801 kg.m-3, com células abertas variando de 20 a 50%. O processo consiste no aquecimento de um Polipropileno com IF de 0,2 a 20g.10 min-1 e resistência do fundido de, no mínimo 39 cN, que, sob a ação de um agente físico de sopro, produzirá uma espuma com densidade variando de9,6 a801 kg.m-3.

Rabello, M. S.56 enfatizou que a extrusão pode ser utilizada na obtenção de

diversos materiais expandidos, como filmes, tubos e perfis. Existem basicamente duas técnicas que podem ser empregadas, utilizando-se espumantes químicos ou espumantes físicos. O processamento com agentes químicos de expansão utiliza o mesmo equipamento para extrusão convencional, com até 10% em peso de espumante; é fundamental um bom controle de temperatura e o uso de uma rosca com seção de mistura. A extrusão com espumantes físicos é bem mais complexa: consiste basicamente na injeção, sob pressão, do agente de expansão, no canhão da extrusora, em um ponto em que o polímero já esteja fundido. Normalmente a densidade das espumas produzidas por este método é superior a250 kg.m-3_.

FIGURA 11. Microscopia óptica da estrutura celular de uma espuma de alta densidade (escala 0,5 mm) 61.

As espumas rígidas, estruturais, de alta densidade (FIG. 11), foram obtidas com base nas informações obtidas na bibliografia suporte referenciada.